機器選定 #07：圧力・真空センサ — 測定範囲と出力形式で選ぶ
機械が圧力や真空のしきい値に達したか否かを判定するだけでよいならデジタル圧力スイッチを選びます。診断、データ記録、制御のためにPLC・HMIが連続値を見る必要があるならアナログ出力のセンサを選びます。センサポートが実際に見る値に応じて、正しい真空、コンパウンド、低圧、正圧、差圧の範囲を選びます。HMIに表示される単位や、空気源の定格圧力で選んではいけません。範囲、基準圧力の形式、媒体、出力が取付位置に合っている必要があります。
空圧系で最も時間を浪費する二つの誤りは、たいてい、センサを誤った範囲に設定することと、本来は連続的な傾向が必要な問いにオン・オフ信号で答えることです。真空カップは「真空到達」と信号しても、周期的に漏れていることがあります。エアラインは圧力を保っていても、複数の弁が同時に開くと下がることがあります。本記事は、モデルを確定する前に、監視・制御・診断の機能を明確に分けるための指針です。
早見比較
| 項目 | デジタル圧力・真空スイッチ | アナログ圧力センサ | 差圧センサ |
|---|
| 返す情報 | 一つ以上のしきい値状態 | スケールした範囲の連続値 | 二つのポート・点の間の圧力差 |
| 適する用途 | インターロック、真空到達信号、レベル警報 | 傾向、レシピ、漏れ評価、制御・監視 | フィルタ目詰まり、素子の圧力降下、設計による間接的なレベル・流量 |
| 一般的な出力形式 | NPN/PNPオープンコレクタ、モデルによりリレー | 電圧または電流、データシートによる | モデルによりアナログまたはスイッチ |
| 選ぶべき事項 | 範囲、設定値、ヒステリシス、NO/NCロジック | 範囲、単位・スケール、モデルにより0–10 V/1–5 V/4–20 mA信号 | 二つの取圧点、正・負側、ポートごとの圧力限界 |
| 利点 | 簡潔なロジック、単純なデジタルI/O配線 | 劣化の程度を見てしきい値を調整するためのデータ | 用途が必要とするとき、真の差の量を測る |
| 誤用時のリスク | 漏れ・圧力低下の傾向が見えない | 誤ったスケールや信号ノイズが誤データを生む | ポートの誤配線や誤った圧力限界が破損・誤読を招く |
最初のステップ：圧力の種類を正しく呼ぶ
現場で使う「圧力」という語は、いくつもの異なる量を指し得ます。仕様書やP&ID・I/O図には、センサがどの種類を測るかを明記します。
- ゲージ圧： 大気に対する圧力。供給される圧縮空気や多くの圧力スイッチにとって馴染みのある表現。
- 真空： 大気より低い圧力。真空スイッチのカタログは、ゲージ基準で0から負の値までの範囲を示すことがある。PLCをスケーリングするとき、符号を反転したり単位を混ぜたりしないこと。
- コンパウンド圧： 大気点を横切る範囲。サイクル内で一つのポートが真空にも正圧にもなり得るときに有用。
- 絶対圧： 完全な真空を基準とする。プロセス、外部データ、仕様が絶対圧を示すとき、ゲージと区別する必要がある。
- 差圧： 二つのポート間の差。単一ポートの圧力センサの呼び名を変えたものではない。取圧の方法と各ポートの限界をともに設計する必要がある。
SMCの圧力・真空センサの資料は、真空、コンパウンド、低圧、正圧、低差圧の範囲を別々に挙げ、NPN/PNPとアナログ出力の選択肢も持ちます。これは要求仕様の書き方に有用な示唆です。まず範囲の種類を選び、その後で分解能、コネクタ、出力を選びます。
範囲の選択：最大値より作動域が重要
実際の運転条件で、センサポートにおける最低・最高の圧力と設定値を書き出します。その値には、起動、排気、弁の切替、複数機構の同時運転、空気源のばらつきを含める必要があります。カタログの範囲は、メーカーが示す限界の範囲でこれらの状態を覆う必要があります。耐圧（proof）や破壊圧（burst）を作動域として使わないこと。
実務上の選定原則は次のとおりです。
- 真空カップの真空を測る： 実際の作動域が定格範囲に収まる真空範囲を選ぶ。吸着カップがワークを保持できたことの確認だけでよいなら、設定値は実際の材質・ワークと運動サイクルで試験する。他の機械の数値を写さないこと。
- 圧縮空気の圧力を監視する： 監視するラインに適した正圧範囲を選ぶ。機械側の圧力を知るのが目的ならレギュレータの後にセンサを置く。源側に置くと共通の供給しかわからず、機構までの損失はわからない。
- 吸気と吹き出しを切り替えるライン： 真空・正圧専用のセンサを範囲の縁や範囲外で使うのではなく、コンパウンド範囲を検討する。
- フィルタの目詰まりや素子の損失を監視する： 差圧と両側の取圧位置を検討する。単一ポートのセンサ二つをPLCで引き算しても可能だが、合成誤差、サンプリング、一方のセンサを失った場合を評価する必要がある。
すべての目的に「範囲は広いほど安全」ということはありません。範囲が広すぎると、関心のある変化が信号のごく一部しか占めないことがあります。範囲が狭すぎると、機械が故障したときに過圧のリスクがあります。この釣り合いは、他の系列から推測するのではなく、正確なモデルの範囲・精度に基づく必要があります。
デジタル圧力スイッチで十分なとき
デジタル圧力スイッチは、測定値が設定値を上・下に横切ると状態を変えます。通常ヒステリシス設定を許し、一つか二つの出力を持ち得ます。運転上の判断が離散的な信号だけでよいときに適します。
例：
- 真空が試験済みの許容水準を超えたときにのみロボットにワークを持ち上げさせる。
- クランプ治具への供給圧が運転しきい値を下回ったときに警報する。
- サイクルをリセットする前に、レギュレータまたは空気供給が回復したことを確認する。
- 要求に応じて、圧力が高すぎ・低すぎのときに経路を変えるかステーションを止める。
デジタルスイッチを選ぶとき、設定値だけを選んではいけません。次を確認します。
ヒステリシスと信号のばたつき
圧力がしきい値の周りで変動すると、ヒステリシス・設定値が不適切なとき出力が連続的に切り替わり得ます。ヒステリシスは動作点と復帰点の差です。値はばたつきを避けるのに十分でありつつ、ロジックがプロセス要求を反映しなくなるほど大きくてはいけません。一部のモデルは時間遅延やデジタルフィルタを設定できます。これらの機能は、漏れのある配管や不安定なレギュレータを覆い隠すためではなく、実際の変動を理解したうえで使います。
PNP、NPN、NO/NC、出力負荷
SMCのデータシートは、NPNまたはPNPオープンコレクタ出力とアナログ選択肢を持つ圧力センサを示します。PLC・リモートI/Oが配線形式を決めます。トランジスタ出力は無電圧接点ではありません。センサを交換する前に、供給電圧、入力のコモン、負荷電流、NO/NCロジック形式、ピン配列を確認します。ロジックが機械停止・警報に関わるとき、断線や電源喪失の状態をPLCがどう扱うかを明確に定義します。
表示機能はI/O検証の代わりにならない
圧力スイッチの表示は単位、設定値、警報を示し得ますが、PLCへの出力は依然として計器・傾向、または実際の表示値で試験する必要があります。FAT・SATでは、圧力をしきい値を越えて変化させ、I/Oビット、機械のシーケンス、ヒステリシス、警報後の復帰を確認します。設定値・パラメータのバックアップを機械の記録とともに保存します。
アナログ出力が必要なとき
アナログ出力は、センサからの連続値をPLC、リモートI/O、コントローラ、レコーダのアナログ入力へ運びます。問いが「到達したか」ではなく「今いくらか、どう変化し、どう低下しているか」になったとき必要です。SMCにはモデルにより電圧・電流出力を示す系列があります。1–5 V、0–10 V、4–20 mAは、どれもアナログと呼ばれるからといって同じ信号とは扱えません。
次のときにアナログを選びます。
- サイクルごとの真空の傾向を描き、漏れ、フィルタの汚れ、ワーク表面の変化、カップの経年を検出する。
- レギュレータ後の圧力を監視し、複数のアクチュエータ作動時の圧力低下を検出する。
- 品質データを記録するか、複数のしきい値を持つレシピを実行する。
- 明確な要求を持つ制御・監視アルゴリズムに値を与える。
電圧か電流かは習慣ではなくシステムで選ぶ
入力モジュールは特定の信号形式しか対応しません。1–5 Vのセンサは電圧入力と専用のスケーリングが必要です。4–20 mAのセンサはループ配線、電源、電流入力、データシートに従うループ限界の確認が必要です。長いケーブルやノイズの多い環境では、電流方式は電圧と伝送が異なるため検討されますが、それはケーブル配線、シールド、接地、コモンをメーカーの指針どおりに扱うことを省く理由にはなりません。センサとI/Oモジュールの両方の配線図を読みます。
スケールは保存し検証する
PLC・HMIは、どの生値がセンサ範囲の下端・上端に対応するかを知る必要があります。画面に表示される圧力の数値から感覚的に式をハードコードしないこと。正確な部品のデータシートから範囲と出力信号を取り、単位を設定し、その後、適切な基準の圧力・真空源または校正器で検証します。別の範囲に切り替えるときは、タグ説明、スケール、警報、画面を同時に更新します。
アナログはノイズや誤ったサンプリングを自動では解決しない
信号は、実際の圧力、弁の切替、センサの配置、サンプルレート、配線により変動し得ます。フィルタ・時間平均の設定は用途の動特性を考慮する必要があります。フィルタが強すぎると警報が遅れ、弱すぎるとHMIがノイズで埋まります。インターロックに必要な応答時間を明確に示し、フィルタ済みのアナログ信号が要求に間に合わないなら、別のデジタルスイッチを使います。
吸着カップ用の真空センサ：センサをどこに置くか
取付位置が読み値の意味を決めます。エジェクタ・ジェネレータ近くのセンサはそこの真空源の状態を示します。吸着カップ近くのセンサは、チューブに沿った損失と吸着部での損失をよりよく反映します。すべての機械に共通して正しい位置はありません。チューブの長さ・径、真空弁、複数の分岐、容積、ワーク表面、サイクル内のサンプリングの瞬間を考慮します。
試験の手順の例：
- 想定範囲の中で、粗さ、曲率、縁の漏れが最悪のワークで吸着カップを取り付ける。
- 吸着開始時、保持確認時、ロボット・グリッパが加速する間の圧力・真空を記録する。
- 欠品、傾き、穴のあるワークを試し、除外すべき状況をしきい値が区別できるか見る。
- 試験データから設定値・ヒステリシス・遅延を確定し、カップのモデルとワーク材質を記録する。
- カップ、エジェクタ、チューブ、レシピを変えたら再確認する。古い設定値は意味を失い得るため。
真空を確認するスイッチは運転インターロックの一部になり得ますが、それ自体では持ち上げ部を人に対する安全システムにはしません。ワークの落下が危害のリスクを生むなら、機械の安全設計に従ったリスク分析と、保持・防護・監視の対策が必要です。
圧縮空気の圧力：源で測るか、機構で測るか
コンプレッサ、FRL、マニホールド、シリンダポートの圧力は、機械が動くとき必ずしも同じではありません。細い配管、汚れたフィルタ、遠いレギュレータ、弁の開閉、同時の流量需要は、いずれも圧力降下を生みます。したがって要求は正確な点を指す必要があります。「FRL後の源圧」「クランプ回路への供給圧」「弁でのパイロット圧」などです。
目的が一般的な空気喪失の信号だけなら、源側にセンサを置くのは妥当かもしれません。目的がクランプ力不足や圧力低下によるアクチュエータの動作遅れの検出なら、センサはその部の近くにあり、ロジックはサイクル内の瞬間も考慮する必要があります。シリンダ径、摩擦、力伝達機構、損失を計算せずに、圧力値をクランプ力の直接の式として使うのは避けます。圧力値は機械的な問題の一つの入力にすぎません。
ポート、ねじ、媒体、取付条件
電子センサも圧力を受ける要素です。ポート・ねじ、接液部の材質、シール、取付方向、ケーブル・コネクタ、保護等級を、媒体と位置に応じて選びます。データシートが六角・別の締付点を要求するなら、樹脂の本体・表示部で締めないこと。BSPP、NPT、Rcその他の標準の間で、ねじ標準が不明なアダプタを使わないこと。ねじが幾何的に合っても、シールの原理が誤れば漏れや割れを生じ得ます。
水、油、不純物を含むガスでは、媒体適合性と取圧ポートの目詰まりのリスクを確認します。振動のある環境では、センサとフィッティングが配管から荷重を受けないよう、ブラケット・支持管を使います。真空を使うときは、センサのせいにする前に、適切な試験でフィッティングの漏れを確認します。
三つの手早い選定状況
真空カップで瓶をつかむステーション
ロボットが「瓶をつかんだ」インターロックだけを必要とし、サイクルが安定しているなら、実際の瓶で試験した範囲と設定値のデジタル真空スイッチが出発点です。漏れの不具合が数日かけて徐々に現れる、またはトレースを記録する必要があるなら、真空の振幅を見るためにアナログ傾向を追加・切替します。守るべきものを反映する位置にセンサを置きます。カップ近く、または明確な技術的理由があればジェネレータです。
低圧を信号すべき空圧クランプ治具
レギュレータ・クランプ回路の後に置いたデジタル圧力スイッチは、サイクル前に十分な圧力を警告し得ます。設定値は、コンプレッサ源圧を基準にするのではなく、実際の機構のクランプ力試験に関連付ける必要があります。複数のステーション運転時に圧力低下が起きるなら、マニホールド・クランプ部でのアナログ傾向が原因の特定と能力の評価に役立ちます。
エアフィルタ・プロセスラインの監視
要求がフィルタ両側の圧力降下を知ることなら、両側の差を測る必要があります。各ポートの圧力条件が適切なとき、差圧センサが直接の選択です。ゲージセンサ二つでPLCで計算する場合は、同時の校正、サンプリングの遅れ、センサごとの誤差処理を検証してから、その結果を保守警報に使います。
よくある失敗
- 真空センサを選び、正圧になり得るラインで使う。 ポートの実際の状態でコンパウンド・正圧・真空を決める。
- 定格圧力に基づき狭すぎる範囲を取る。 モデルの限界の範囲で起動、過渡、故障の状況を見込む。
- アナログを使うが範囲や1–5 V/4–20 mAの形式を誤設定する。 正確な部品のデータシートでスケールし、基準器で検証する。
- 遅い漏れの分析にデジタルスイッチを使う。 しきい値を越えたことしかわからない。推移が必要ならアナログ・傾向を使う。
- 源側にセンサを置き、カップ・シリンダの圧力を結論する。 要求に意味のある点で測る。
- 標準の異なるフィッティング・ねじに交換し、漏れをセンサのせいにする。 ねじ、シール、トルク、媒体を確認する。
手早い選定チェックリスト
- [ ] センサポートはゲージ、真空、コンパウンド、絶対、差圧のどれを測るか。
- [ ] 正確な取付点での低・高の値と過渡を記録したか。
- [ ] モデルの定格範囲は作動域を覆い、耐圧・破壊圧を範囲に使っていないか。
- [ ] しきい値のインターロックが必要か、傾向・診断のための連続データが必要か。
- [ ] NPN/PNP、NO/NC、またはアナログ形式はI/Oモジュールと配線図に合うか。
- [ ] アナログなら、範囲・信号・単位とスケーリング式を正確なモデルのデータシートから取ったか。
- [ ] ポート、ねじ、シール、媒体、振動、保護等級は取付位置に適するか。
- [ ] 設定値・ヒステリシス・遅延を実際のワーク、チューブ、サイクルで試験したか。
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参考
機器選定シリーズの続き
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